ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 9, с. 99-106
УДК 539.23:546'28'26
НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛУЧЕНИЕ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
ПЛЕНОК КАРБИДА КРЕМНИЯ
© 2004 г. А. В. Семенов, А. В. Лопин, В. М. Пузиков
НИО ОККНТК "Институт монокристаллов", Харьков, Украина Поступила в редакцию 20.03.2003 г.
Нанокристаллические пленки карбида кремния получали методом модифицированного ионно-плазменного осаждения с использованием катода из карбида кремния. Измеренные спектры поглощения Б1С пленок различной толщины в УФ и видимой области анализировали методом аппроксимации с использованием известных электронных переходов в фазах карбида кремния. Для характе-ризации пленок также использовали электронную микроскопию, атомно-силовую микроскопию, эллипсометрию, фотоэлектронную спектроскопию. Состав пленок был близок к стехиометричес-кому составу Б1С при энергии осаждаемых ионов ~200 эВ. При энергиях более 500 эВ наблюдали небольшой избыток углерода. Осажденные при комнатной температуре аморфные пленки отжигали в вакууме. Отожженные при температуре более 400°С пленки становились преимущественно на-нокристаллическими со средним размером кристаллов 15-100 нм, зависящим от параметров осаждения. Использование метода аппроксимации для анализа изменений в спектре поглощения в пленках при отжиге позволило выявить структурные превращения с участием различных фаз карбида кремния. Наиболее существенные изменения в спектрах поглощения пленок начинались при температуре отжига более 500°С.
ВВЕДЕНИЕ
Карбид кремния является перспективным полупроводниковым материалом для разработки приборов оптоэлектроники [1, 2], микроэлектроники [3, 4], включая полупроводниковые пленочные приборы на гомопереходах [5]. Это связано с большой шириной запрещенной зоны полупроводника, высокой теплопроводностью, высокими пробивными полями и скоростью насыщения электронов, а также значительной радиационной и термической стабильностью. Карбид кремния -отличный кандидат для изготовления мощных высокочастотных приборов, действующих в условиях ионизирующего и термического воздействий [6]. Для получения кристаллических слоев БЮ распространенным в настоящее время методом эпитаксии на кремниевых подложках необходимо обеспечение высокой (более 1200°С) температуры [7]. Вследствие различия в коэффициентах термического расширения и рассогласования параметров решетки (~8%) на границе раздела зарождается значительное количество пор и дефектов, проникающих в растущую пленку Б1С [8]. Количество дефектов радикально уменьшается при понижении температуры подложки. В связи с этим в последнее время интенсивно ведутся исследования процессов получения пленок карбида кремния при более низких температурах. Как следует из опубликованных работ [9-12], исследования низкотемпературного получения пленок БЮ выполняют с использованием традиционных методов: химического осаждения из пара (СУБ)
[9], лазерной абляции [10], магнетронного распыления [11], ионно-лучевого осаждения [12] и их комбинации. Перечисленные методы осаждения позволяют формировать кристаллические пленки Б1С при более низких, чем при эпитаксии температурах. Осажденные при комнатной температуре пленки находятся в аморфном состоянии, и для их кристаллизации необходимо проводить термический отжиг. Температура начала фазового перехода в кристаллическое состояние зависит от условий приготовления пленок. Так, пленки БЮ, полученные методом ионно-лучевого распыления, становились поликристаллическими в процессе осаждения при температуре подложки 700°С [13]. Нанокристаллическая фракция Б1С была выявлена в пленках, полученных магнетронным распылением при температуре подложки 730°С. При нестехиометрических составах избыток кремния выделялся в нанокристаллической фазе, а углерод -в виде графитовых прослоек [11]. Нано- и микрокристаллические слои кубического карбида кремния были получены при температурах менее 600°С при осаждении методом СУБ, активированным электронно-циклотронной резонансной (ЭЦР) плазмой [14]. В работе установлено, что понижение температуры подложки компенсировалось необходимостью повышения мощности плазменного разряда. С понижением температуры подложки росло содержание водорода в пленке, т.е. пленки являлись гидрогенизированными. Оптимальная температура отжига 900°С была установлена для кристаллизации пленок Б1С, полученных методом лазерной
99
7*
абляции. При температуре подложки 800°С пленки осаждались в аморфном состоянии [15]. Следует отметить, что при пониженных температурах в абсолютном большинстве работ, посвященных низкотемпературному получению БЮ, наблюдали формирование кристаллических слоев карбида кремния кубической модификации, которая имеет более высокие значения электронной подвижности, теплопроводности, пробивного поля по сравнению с гексагональной и ромбоэдрической модификациями [16].
В настоящей работе представлены результаты исследований оптических свойств пленок Б1С, полученных методом плазменного осаждения при низких температурах подложки.
ЭСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Для приготовления пленок БЮ мы применяли ионно-плазменную систему прямого осаждения с
Вакуумная камера
Электромагнит Изолятор I
Газ
Катод
Тигель-разрядник
Газ
Промежуточный анод
К насосу
Испаритель
Рис. 1. Принципиальная схема ионно-плазменного осаждения пленок карбида кремния.
C/Si, отн. ед. 1.3-
1.2 1.1 1.0
0.9
0
0.5
1.0
1.5 2.0
E, кэВ
Рис. 2. Зависимость атомного отношения С/Б1 от энергии осаждаемых ионов и условий осаждения: 1 -напуск Аг (Р = 2 х 10-2 Па), 2 - напуск N2 (Р = 2 х х 10-2 Па), 3 - вакуум (Р = 2 х 10-3 Па).
оригинальным источником углеродно-кремниевой плазмы с катодом из чистого карбида кремния. Принципиальная схема ионно-плазменного осаждения показана на рис. 1. Под действием дугового разряда генерировался поток плазмы, состоящий из смеси ионов углерода и кремния, который с заданной энергией конденсировался на подложку. Основные характеристики ионно-плазменного источника ионов кремния и углерода приведены в таблице 1. В качестве подложек использовали кварц, лейкосапфир, сколы монокристаллов KCl, стекло, монокристаллы кремния. Для модификации структуры и свойств осажденных пленок SiC применяли термический отжиг в вакууме и на воздухе при температуре 400-1200°С. Толщину и оптические константы пленок измеряли методом эллипсометрии на приборе ЛЭФ-3М. Спектры поглощения пленок в УФ и видимом диапазонах измеряли на спектрофотометре СФ-56 и анализировали методом аппроксимации с учетом всех возможных электронных переходов в области края фундаментального поглощения.
Состав пленок измеряли методами фотоэлектронной спектроскопии (ФЭС), энергии связи в спектрах ФЭС калибровали на объемном кристалле SiC по линии Si 2p 99.3 эВ. Также состав пленок определяли с помощью электронно-зон-дового микроанализа в растровом электронном микроскопе JSM-820. Для калибровки линий Ka Si и C использовали объемный монокристалл SiC.
Структуру пленок изучали с помощью просвечивающего электронного микроскопа JE0L-200 CX. Высокоразрешающий анализ поверхности пленок выполняли на атомно-силовом микроскопе Femtoscan.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Как показал анализ состава осажденных пленок, отношение атомного содержания углерода к кремнию С/Б1 зависело от энергии осаждения. Чтобы изучить этот эффект, в ионный пучок добавляли ионы азота или аргона путем напуска газов в ионный источник. На рис. 2 представлена зависимость атомного отношения С/Б1 от перечисленных условий осаждения. Видно, что в области невысоких энергий в диапазоне 30-500 эВ величина С/Б1 близка к стехиометрическому отношению в карбиде кремния. При дальнейшем увеличении энергии наблюдается рост избытка углерода, и при энергии 2000 эВ отношение С/Б1 равно 1.07 для пленок, полученных в вакууме. При добавлении азота или аргона в камеру осаждения до давления ~2 х 10-2 Па отношение С/Б1 увеличивалось еще больше и составляло 1.13 и 1.26 для азота и аргона, соответственно, при той же энергии. Качественно зависимость состава пленок от энергии осаждения можно объяснить увеличением вклада физического распыления конденсируемой
1
пленки ионами самого материала или газа с увеличением энергии. Это согласуется с большим коэффициентом распыления кремния по сравнению с углеродными материалами, а также с тем, что ионы аргона обладают большей распылительной способностью, чем ионы азота [17]. С учетом этих зависимостей в дальнейшем пленки осаждали при энергиях ионов, обеспечивающих состав пленок, близкий к стехиометрии карбида кремния.
Пленки Б1С, осажденные при комнатной температуре подложки, были аморфными и существенно напряженными, что вообще характерно для пленок, осаждаемых из потока частиц с повышенной энергией. Кроме кремния и углерода пленки, осажденные при комнатной температуре, содержали значительное количество кислорода. По данным ФЭС кислород находился в связанном состоянии с кремнием, и его количество оценивалось в пределах 5-10 ат. %. Осажденные пленки отжигались в вакууме с выдержкой в течение 20 мин при каждой температуре. Анализ картин электронной дифракции от многих пленок, подвергнутых отжигу показал, что уже начиная с температуры 400°С начиналось сужение дифракционных колец и появлялись рефлексы.
На рис. 3 представлено электронно-микроскопическое изображение типичного участка и картина дифракции от пленки, отожженной при 500°С. Появление узких линий и рефлексов на картине дифракции от отожженной пленки свидетельствует о формировании кристаллической фазы. При этом анализ положения дифракционных колец показал, что они наиболее соответствуют кубическому карбиду кремния Р-Б1С. Более точный анализ дифракционных отражений затруднен присутствием аморфной фазы и, возможно, других фаз (БЮ2, С). Морфология поверхности аналогичной пленки (рис. 4), просканированной в атомно-силовом микроскопе, также свидетельствует о появлении сформированных кристаллитов. Средние размеры кристаллитов для различных пленок имели разброс в диапазоне 15-100 нм. На основании этих данных мы характеризуем пленки как нанокристаллические.
Спектры оптического поглощения
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.